5.4 以太坊原始碼詳解4

尹成發表於2018-11-09
原始碼

MPT(實現快速查詢以節省儲存空間) 
背景

  • Trie：用於快速檢索的多叉樹，查詢速度快、但是需要耗費大量的儲存空間
  • Patricia Trie：耗費的空間更小
  • Merkle Tree：Merkle樹是一種用於快速驗證內容完整性的資料結構，其基本原理是分別計算樹的葉⼦結點的hash值，然後把葉⼦結點的hash值拼接在⼀起，再計算⼀次hash作為其⽗結點的hash值，依次向上直到根結點，根結點的hash值稱為Merkle Root。 可以看出，如果想要獲得相同的Merkle Root，所有⼦結點的內容都必須相同，這樣就可以⽤來驗證樹的內容有沒有被篡改

概念

  • MPT：MPT融合了了上⾯面3種資料結構，但是⼜又有⼀一些細微的差別。
  • MPT是⽤用來檢索位元組資料的，因此是16叉樹，分別代表0x0~0xF。

結構 
MPT定義4種結點型別：

  1. 空結點（NULL）
  2. 分⽀支結點（branch node）：包含16個分⽀支，以及1個value
  3. 擴充套件結點（extension node）：只有1個子結點
  4. 葉子結點（leaf node）：沒有⼦子結點，包含⼀一個value

HP編碼

  • MPT樹中另外一個重要的概念是一個特殊的十六進位制字首(hex-prefix, 
    HP)編碼，用來對key進行編碼。因為字母表是16進位制的，所以每個節點可能有16個孩子。因為有兩種[key,value]節點(葉節點和擴充套件節點)，引進一種特殊的終止符標識來標識key所對應的是值是真實的值，還是其他節點的hash。如果終止符標記被開啟，那麼key對應的是葉節點，對應的值是真實的value。如果終止符標記被關閉，那麼值就是用於在資料塊中查詢對應的節點的hash。無論key奇數長度還是偶數長度，HP都可以對其進行編碼。最後我們注意到一個單獨的hex字元或者4bit二進位制數字，即一個nibble。
  • HP編碼很簡單。一個nibble被加到key前（下圖中的prefix），對終止符的狀態和奇偶性進行編碼。最低位表示奇偶性，第二低位編碼終止符狀態。如果key是偶數長度，那麼加上另外一個nibble，值為0來保持整體的偶特性。

原始碼分析

  • 以太坊中的MPT的實現原始碼：trie/trie.go以及trie/node.go。trie.go主要實現struct 
    Trie以及MPT樹的各種操作：查詢，新增，刪除。node.go實現了四種節點以及從持久化資料庫中解析node。理解了Node的實現，Trie的實現很容易理解。有關MPT中的四種節點，node.go的實現如下： 
    type (
    // 分支節點
    fullNode struct {
        Children [17]node // Actual trie node data to encode/decode (needs custom encoder)
        flags    nodeFlag
    }
    // 實現葉子節點和擴充套件節點
    shortNode struct {
        Key   []byte
        Val   node
        flags nodeFlag
    }
    hashNode  []byte
    valueNode []byte
)
// 每個節點的雜湊資訊
type nodeFlag struct {
    hash  hashNode // cached hash of the node (may be nil)
    gen   uint16   // cache generation counter
    dirty bool     // whether the node has changes that must be written to the database
}
    總結
  • MPT是以太坊用來儲存“狀態”的資料結構，綜合了Trie，Patrica Trie以及Merkletree的優點
  • MPT的key是用HEX編碼，在持久化儲存時，會轉換為HP編碼。以太坊的go語言實現中，用fullNode表達分支節點，用shortNode表示葉子節點和擴充套件節點。

 

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